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LED隧道照明应用兴起 有哪些技术挑战?

关键词:LED 隧道照明

时间:2017-12-07 13:48:21      来源:网络

一般隧道照明的主要目的是通过提供隧道路面上物体的最大可见度,来防止事故发生,并为穿过或进入隧道的驾驶员增强安全性和舒适性。

CIE 88-“公路隧道和地下通道照明指南”为隧道照明提供了一个指导方针,是许多国家法规的基础。它根据每一个的具体要求将隧道分成不同的区域。

首先,入口段需要非常高的亮度值,以便于驾驶员的眼睛能适应隧道中较暗的照明条件。入口段的长度由隧道中的最高限速来决定,因为越高的限速要求更长的入口段。

其次,在过渡段,路面上的亮度缓慢降低,直到达到隧道内部区域的照明水平,从而提供从入口处到中间段平滑的适应。在入口段的前半部分中,考虑维护因子为0.67,照明约为150-300 cd/m2,而内部区域通常限制在2-6 cd/m2。

目前公认的道路隧道照明的质量参数包括:总体和纵向道路表面照明的均匀性(理想的是没有频闪)、隧道墙面的照明、避免眩光以及色温和显色指数。近年来,半导体技术发展,LED逐渐取代传统隧道钠灯。许多国家标准将上述参数的要求进行了更新。

新的LED定制标准

除了例如瑞士ASTRA(BundesamtfürStra?en)提出的规定之外,奥地利ASFINAG的计划手册(PLaPB 800.562)是首个专门针对LED隧道照明系统的标准之一。这个标准将集群引入到不同的隧道照明类别中,不仅详细说明了每个集群的不同照明要求,而且还规定了从18米(集群标准)到连续照明带之间灯具的不同距离。而且它还对能源效率、照明颜色及显色性作了不同的要求。虽然显色性在隧道照明中似乎不是最重要的指数,但是鉴于道路隧道内不同信号颜色的数量不断增加,对于司机来说,快速区分黄色和红色、或蓝色和绿色至关重要。

而且,与传统的照明系统相比,LED系统的优势还体现在真正的彩色照明、高光效和高效的透镜分布。LED系统可以在隧道内部和入口区域提供模拟调光,从而消除了关闭整组灯具引起的路面亮度均匀性问题。目前的LED隧道系统已经变成智能解决方案,可以将灯具的当前状态与司机实现交流。但是,关于将支援和控制电子设备需要在哪里集成,仍然在讨论中。一些隧道市场要求在灯具内安装智能驱动,而另一些则要求将所有电子设备安装在隧道内的维护间或入口处的控制建筑内。这两种解决方案都有优点,后者减少了维护工作。

基本上,在德国、奥地利以及瑞士,隧道灯具的一般特性和要求从CRI 20-30的钠灯转变为CRI为70甚至80、4000 - 4500 K的LED,甚至一些目前的项目需要功效甚至超过110 lm/W、系统寿命大于80,000小时(在此期间失败率少于10%)的系统。

图1:隧道亮度的适应曲线

灯具规格之外的要求

但是一些要求,尽管很重要,单靠照明设备是不能满足的。特别是早期的LED灯具比传统的灯具更耀眼,因此避免眩光就变得越来越重要。

一些规定已经要求阈值增量为8%甚至只有6%,因为较低的阈值增量意味着较少的眩光。阈值增量是光幕亮度与路面亮度的相对关系,越低的光幕亮度或较高的路面亮度都能减少眩光。光幕亮度本身取决于灯具的光通量和光分布。

灯具制造商可以开发出能最大限度提高路面亮度、同时还可以提供相对较低的光幕亮度的灯具,但是有一个关键因素是无法控制的。这就是路面的亮度系数q0,它决定了照度[lx]和亮度[cd/m2]之间的关系。根据路面等级,亮度系数通常在0.05和0.07之间变化。所以,q0可以改变道路上的亮度值约30%。反过来,灯具的光通量必须增加30%,这样会导致更高的光幕亮度和更高的阈值增量。

图2:舒适的隧道照明集群

图3:连续的隧道照明集群

功效要求及如何实现

一个有意义、但不一定能达到预期结果的要求就是发光效率,即lm / W。 该值完美地描述了LED的效率,更高的发光效率代表更高的能源效率。对于所有具有对称光分布的隧道灯具来说,情况也是如此,这普遍适用于隧道的内部区域。由于市场上不同光学系统的透射率值差不多,几乎接近90%,而且光分布也提供了类似的路面亮度,因此发光效率是确定整个灯具能效的最佳选择。但是,入口段和过渡区的灯具呢?

通常,这些灯具会配备反光元件,可以将光线以非常水平的角度反射给驾驶员。

与对称光分布的灯具相比,反光的灯具提供了更好的亮度值。因此,反光的灯具在过去一直是隧道入口区的选择,既经济又高效。但是,这些灯具只能用于入口段和过渡区域,因为在这些区域,灯具距离较小。在中间段,反光的灯具在8-15m的照明距离会产生太多的眩光,同时也产生光线的均匀性问题。

如图4所示,反光灯具的峰值强度处于60°以上的垂直角度,更重要的是,光线几乎全部分布在一个方向上。这种“光线弯曲”会导致反射损失,从而降低透射率,导致灯具的发光效率降低。对于入口段和过渡段的灯具来说,发光效率值并未考虑在内。假设相同流明输入的情况下,60°以上峰值的反光灯具会在路面上产生相当高的亮度值,而55°的会小,尽管后者可能具有更高的透射率值和更高的发光效率。

图4:反射光线分布

图5:对称的光分布

这里还需要注意的是,在垂直角度更高处具有峰值强度的灯具不一定会产生更多的眩光。

因此,具体的表面功率密度更适于描述和要求隧道入口照明的能量效率,其包括已知的亮度值、入口段和过渡区的长度、以及所有安装的入口(反光)灯具的功耗。

结论

几乎所有LED灯具的新标准都朝着正确的方向前进,会让照明质量稳步提升,当然也会让灯具更安全、更高的能源效率和更可持续性。

目前最先进的高科技照明灯具,由高档技术玻璃制成,可在8-12米的灯具距离内提供超过0.95的纵向均匀度。这意味着行车道中间的亮度值在隧道中几乎不会发生变化,从而实际上消除了路面上的所有频闪。

最新一代的灯管系统可提供高达125流明/瓦的功率,并将驾驶区内的灯具与维护室内的电源和控制电子设备完全分开。但是,还要面临一些挑战,不仅是技术上,而且法规也在不断发展中。

 

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